Advances in Clinical and Experimental Medicine

Adv Clin Exp Med
Impact Factor (IF) – 1.227
Index Copernicus (ICV 2018) – 157.72
MNiSW – 40
Average rejection rate – 84.38%
ISSN 1899–5276 (print)
ISSN 2451-2680 (online)
Periodicity – monthly

Download PDF

Advances in Clinical and Experimental Medicine

2012, vol. 21, nr 4, July-August, p. 487–493

Publication type: original article

Language: English

A Quantitative Comparison of Dura Mater Tissue Structures Measured with Atomic Force Microscopy

Ilościowe porównanie tkanki opony twardej mierzonej z wykorzystaniem mikroskopii sił atomowych

Andrzej Sikora1,, Alicja Kędzia2,

1 Electrotechnical Institute, Division of Electrotechnology and Materials Science, Wroclaw, Poland

2 Department of Anatomy, Wroclaw Medical University, Poland

Abstract

Background. The growth of a human embryo is a very sophisticated process. Understanding the way it proceeds is a key factor in pathology preventing and treating diseases. Therefore one needs to use advanced to tools and methods to investigate various aspects of the anatomy and physiology of humans during the first months of growth.
Objectives. This work is focused on the structure of dura mater tissue, one of the membranes protecting the brain, which can be responsible for a number of health issues if it develops abnormally. The aim of the work was to observe dura mater tissue structure with atomic force microscopy and to provide a quantitative method of discrimination of both the periosteal and meningeal layers in a 6-month-old human embryo.
Material and Methods. The measurements were performed with atomic force microscopy, in air, using tapping mode. The sample was stored in formaldehyde and dried prior to the measurements.
Results. The results obtained permitted observation of the structure of the tissue, in particular the presence of collagen fibers. By applying various image analysis tools, quantitative descriptions of both layers were created in order to distinguish them.
Conclusion. The experiment proved that atomic force microscopy can be a useful tool in the investigation of the development process of the dura mater tissue in terms of the appearance of differences related to various functions of the periosteal and meningeal layers.

Streszczenie

Wprowadzenie. Proces wzrostu ludzkiego płodu jest bardzo złożony. Jego zrozumienie jest kluczowe w zapobieganiu stanom patologicznym i leczeniu schorzeń. Dlatego też konieczne jest zastosowanie zaawansowanych narzędzi oraz metod w różnego rodzaju badaniach anatomii i fizjologii człowieka podczas pierwszych miesięcy rozwoju.
Cel pracy. W pracy skoncentrowano się na strukturze tkanki opony twardej jako jednej z warstw chroniących mózg, mogącej mieć wpływ na stan zdrowia w przypadku zaistnienia jego wad rozwojowych. Celem pracy była obserwacja struktury tkanki opony twardej z wykorzystaniem mikroskopii sił atomowych oraz zapewnienie metody ilościowego opisu różnicującego obie warstwy: okostnowej i oponowej dla przypadku 6-miesięcznego płodu ludzkiego.
Materiał i metody. Pomiary wykonano z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych, w powietrzu, w trybie przerywanego kontaktu (tapping mode). Próbka była przechowywana w formaldehydzie i wysuszona tuż przed pomiarami.
Wyniki. Uzyskane wyniki pozwoliły zaobserwować strukturę tkanki, a w szczególności obecność włókien kolagenowych. Zastosowanie narzędzi analizy obrazu umożliwiło stworzenie ilościowego opisu obu warstw pozwalającego na ich rozróżnienie.
Wnioski. W niniejszym eksperymencie wykazano, że mikroskopia sił atomowych może być użytecznym narzędziem w badaniach procesu rozwoju opony twardej w kontekście powstawania różnic między warstwami okostnowej i oponowej wynikających z pełnionych przez nie funkcji.

Key words

atomic force microscopy, diagnostic imaging, collagen, anatomy, neurology, dura mater

Słowa kluczowe

mikroskopia sił atomowych, obrazowanie diagnostyczne, kolagen, anatomia, neurologia, opona twarda

References (19)

  1. Hansma HG: Surface Biology of DNA by Atomic Force Microscopy. Ann Rev Chem 2001, 52, 71–92.
  2. Ellis DJ, Dryden DTF, Berge T, Edwardson JM, Henderson RM: Direct observation of DNA translocation and cleavage by the EcoKI endonuclease using atomic force microscopy. Nature Struct Biol 1999, 6, 15–17.
  3. Guthold M, Zhu X, Rivetti C, Yang G, Thomson NH, Kasas S, Hansma HG, Smith B, Hansma P K, Bustamante C: Direct observation of one-dimensional diffusion and transcription by Escherichia coli RNA polymerase. Biophys J 1999, 77, 2284–2294.
  4. Grandbois M, Clausen-Schaumann H, Gaub HE: Atomic force microscope imaging of phospholipid bilayer degradation by phospholipase A2. Biophys J 1998, 74, 2398–2404.
  5. Fritz M, Radmacher M, Cleveland JP, Allersma MW, Steward RJ, Gieselmann R, Janmey P, Schmidt CF, Hansma PK: Imaging Globular and Filamentous Proteins in Physiological Buffer Solutions with Tapping Mode Atomic Force Microscopy Langmuir 1995, 11, 3529–3535.
  6. Chen C, Clegg DO, Hansma HG: Structures and dynamic motion of laminin-1 as observed by atomic force microscopy. Biochemistry 1998, 37, 8262–8267.
  7. Muller DJ, Engel A, Matthey U, Meier T, Dimroth P, Suda KJ: Observing membrane protein diffusion at subnanometer resolution. Mol Biol 2003, 327, 925–930.
  8. Goldsbury C, Kistler J, Aebi U, Arvinte T, Cooper GJS: Watching amyloid fibrils grow by time-lapse atomic force microscopy. J Mol Biol 1999, 285, 33–39.
  9. Fujita Y, Kobayashi K, Hoshino T: Atomic force microscopy of collagen molecules. Surface morphology of segmentlong-spacing (SLS) crystallites of collagen. J Electron Microsc 1997, 46, 321–326.
  10. Jastrzębska M, Mróz J, Barwiński B, Zalewska-Rejdak J, Turek A, Cwalina B: Supramolecular structure of human aortic valve and pericardial xenograft material: Atomic force microscope study. J Mater Sci Mater Med 2008, 19, 249–256.
  11. Martin J H (Ed): Neuroanatomy: text and atlas McGraw-Hill, New York 2003, 3rd ed.
  12. Haines DE: Neuroanatomy. An Atlas of Structures, Sections, and Systems, Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia 2004, 6th ed.
  13. Kędzia A: Układ żylny mózgu człowieka i jego znaczenie kliniczne, Urban & Partner, Wrocław 2004.
  14. Steding G: The Anatomy of the Human Embryo A Scanning Electron-Microscopic Atlas, Karger AG, Basel 2008.
  15. Iwan A, Palewicz M, Sikora A, Chmielowiec J, Hreniak A, Pasciak G, Bilski P: Aliphatic-aromatic poly(azomethine) s with ester groups as thermotropic materials for opto(electronic) applications. Synth Met 2010, 160(17–18), 1856–1867.
  16. Palewicz, M, Iwan A, Sibinski M, Sikora A: Energy Procedia Organic photovoltaic devices based on polyazomethine and fullerene. Energy Procedia 2011, 3, 84–91.
  17. http://gwyddion.net/download/user-guide/gwyddion-user-guide-en.pdf.
  18. San Palo A, Garcia R: Tip-surface forces, amplitude and energy dissipation in amplitude modulation (tapping mode) force microscopy. Phys Rev B 2001, 64, 193411.
  19. SPIP (Scanning Probe Image Processor) User Manual, Image Metrology, Denmark, http://www.imagemet.com/ WebHelp/spip.htm#roughness_parameters.htm.